IRI "low cost"

Creación de un IRI "low cost" (es decir, barato) / Creating an IRI "low cost" (ie cheap)

La idea de crear un aparato que mida el IRI y cueste poco es sencilla si partimos de varias nociones iniciales. The idea of creating a device that measures the IRI and its being cheap is simple if we start from several initial notions.

1º Saber como debe medir un IRI / We need to know how it should measure an IRI

El principio fundamental es el denominado "modelo de cuarto de coche": / The fundamental principle is called "golden-car:

Modelo de cuarto de coche

Para saber más: More information:

• http://es.wikipedia.org/wiki/Índice _de_regularidad_internacional
• http://www.carreteros.org/normativa/otros/nlt/pdfs/rosas/1998/330_98.pdf

2º Saber como se montan las ondas (las que queremos medir y las que queremos eliminar, ruido). Introducción matemática del modelo reductor de vibraciones transmitidas por el vehículo / Knowing how to ride the waves, (which we measure and we want to eliminate noise). Mathematical reduction vibration model vehicle.

Primeramente vamos a establecer las bases de nuestro discurso con una revisión de la transmisión de información asociada a ondas. Hay dos formas de realizar tal transmisión, por modulación de amplitud y por modulación de frecuencia.

En la modulación de amplitud se suman las ondas de diferente frecuencia:

First, we will establish the foundations of our discourse with a review of the transmission of information associated with waves. There are two ways to perform such transmission, amplitude modulation and frequency modulation.

In amplitude modulation, different frequency waves are added:

Dos ondas de diferente frecuencia

Suma de ondas (an amplitud)

La amplitud de la onda portadora (alta frecuencia) se moldea según el patrón de la onda señal (baja frecuencia.

En el caso de la frecuencia modulada se variará la frecuencia según el patrón de la señal:

The amplitude of the carrier wave (high frequency) is molded according to the pattern signal wave (low frequency.

In the case of frequency modulation, the frequency will vary the signal pattern:

Variando la frecuencia de una en función de la otra

Las transmisiones de onda media tiene las siguientes características generales: La propagación en esta banda sigue la curvatura de la Tierra, y las ondas pueden reflejarse en la ionosfera pero es sumamente vulnerable al ruido atmosférico y al producido por maquinaria y aparatos eléctricos.

Edwin Armstrong presentó su estudio: "Un Método de reducción de Molestias en la Radio Mediante un Sistema de Modulación de Frecuencia" (1936). La FM de requiere un mayor ancho de banda que la modulación de amplitud para una señal moduladora equivalente, pero a su vez hace a la señal más resistente al ruido y la interferencia. La modulación de frecuencia es también más resistente al fenómeno del desvanecimiento, muy común en la AM. Por estas razones, la FM fue escogida como el estándar para la transmisión de radio de alta fidelidad.

Medium wave transmissions have the following general characteristics: Propagation in this band follows the curvature of the Earth, and waves can reflect off the ionosphere but is highly vulnerable to atmospheric noise and produced by electrical machinery and apparatus.

Edwin Armstrong presented his study: "A method for reducing discomfort Radio System Using a Frequency Modulation" (1936). The FM requires a wider bandwidth than the amplitude modulation signal for modulating an equivalent, but in turn renders it more resistant to noise and interference signal. Frequency modulation is also more resistant to fading phenomenon, common in the AM. For these reasons, the FM was chosen as the standard for transmitting high fidelity radio.

Diagrama electrónico de un receptor básico de AM

Otra de las grandes diferencias entre la modulación de amplitud y frecuencia es respecto a la complejidad del receptor. No hay nada más simple que un receptor de AM (imagen). La desmodulación es muy simple y, por consiguiente, los receptores son sencillos y baratos , todo esto gracias a Robert Herzenbert que en 1932 patentó el término AM; un ejemplo de esto es la radio de galena.

Con lo que se concluye que la AM es más sencilla, se transmite y entiende mejor pero añade ruido. La FM sólo aporta la ventaja de la inmunidad frente al ruido electromagnético.

Another difference between the amplitude and frequency modulation is receiver complexity. There is nothing simpler than an AM (image). Demodulation is very simple and therefore, the receivers are simpler and cheaper, all this thanks to Robert Herzenbert in 1932 patented the term AM; An example of this is the crystal radio.

Thus we conclude that the AM is simpler, transmitted and understood better but adds noise. The FM only provides the advantage of immunity to electromagnetic noise.

3º Estudio de la transmisión con la señal con amortiguación / Study of the transmission signal with damping

Impacto amortiguado / Damped impact

El típico reflejo del movimiento de la masa sobre muelle y amortiguador es el siguiente. Como se observa el amortiguador actúa sobre la amplitud pero no sobre la frecuencia.

La diferencia radica ante otro escalón. No sólo se rompe la amplitud, también la frecuencia.

The typical reflection of movement of the mass on the spring and damper is the following. As the damper acts on the amplitude but not the frequency is observed.

The difference is before another step. Not only breaks the amplitude, frequency also.

Amortiguación de dos impactos / Double damped impact

El punto importante es que en el caso anterior, 1 escalón produce 1 diferencia de frecuencia y 5 resaltos en amplitud apreciables con la vista (resaltos que no existen el el suelo). Y en el caso contiguo tenemos 2 escalones, 2 cambios de frecuencia y algunas subidas de amplitud (inexistentes).

Si además se añade ruido (vibración del vehículo), Como en la AM añadiremos una señal sinusoidal de baja intensidad relativa:

The important point is that in the former case, one step produces 1 frequency difference and five projections in appreciable extent to view (no protrusions that the soil). And in the next case we have 2 steps, 2 changes of frequency and amplitude uploaded some (nonexistent).

If also noise (vibration of the vehicle) is added, as in the AM add a sinusoidal low signal intensity on:

Tan “sólo” hubo que averiguar que resulta mas sencillo y/o fiel para el filtrado de la vibración portadora (vibración propia del vehículo) y extracción de la señal que nos interesa.

So "only" had to find out which is easier and / or true for filtering the carrier vibration (natural vibration of the vehicle) and obtaining the signal of interest.

4º Modelo matemático de eliminación de errores / Mathematical model debugging

La AM corresponde a la función:

       a = A(x) · seno (w_at+f_a) · sen0(w_dt+f_d);

a: aceleración resultante.

A(x): amplitud en función del espacio

w_a: frecuencia propia del auto

w_d: frecuencia propia de la señal (derivada del amortiguador)

La FM corresponde con la función:

       a = A(x) · seno (w_at + f_a + f(w_dt + f_d));

a: aceleración resultante.

A(x): amplitud en función del espacio

w_a: frecuencia propia del auto

w_d: frecuencia propia de la señal (derivada del amortiguador)

f: función de interferencia.

Los condicionantes externos son esenciales ante el movimiento vibratorio propio del conjunto masa(s) + muelle(s) + amortiguador(es). Éstos son, la definición del terreno, señal de estudio, y la vibración natural del vehículo. La primera debería ser un invariante, dado que es lo que se quiere evaluar y la segunda será dependiente del propio vehículo, la velocidad de éste (aumenta con la velocidad), marcha en la que se encuentre (baja si sube la marcha).

Matemáticamente, si quisiéramos extraer la información a partir de la vibración resultante transmitida según un modelo de amplitud modulada, lo primero sería obtener la variación de la amplitud propia en función de la velocidad del vehículo para eliminarla.

Vamos a tomar un número muy significativo de datos. Aún así va a sernos muy difícil la extracción de las frecuencias propias (w_a) y los desfases (f_a). Por ello, resulta muy importante analizar los datos extraídos, sus análisis estadísticos, y trataremos de analizar la señal en las crestas y jugar de esta manera sólo con las amplitudes. Evitaremos así, la realización de estudios más complejos como Foucault o similares.

The external factors are essential against self vibratory motion of the mass assembly (s) + spring (s) + damper (s). These are: the definition of the terrain, signal study, and the natural vibration of the vehicle. The first should be an invariant, since it is to be evaluated and the second is dependent on the vehicle itself, the speed of this (increases with speed), and gear in which (low if you upload the gear) 

Mathematically, if we extract the information resulting from the vibration transmitted in a pattern of amplitude modulation, the first thing would obtain the variation of the amplitude versus own vehicle speed to remove.

We will take a significant amount of data. Still it very difficult to extract the natural frequencies (w_a) and the offsets (f_a). Therefore it is very important to analyze the extracted data, statistical analyzes, and try to analyze the signal the crests and play this way only the amplitudes. We will avoid performing more complex studies as Foucault or similar.

5º Análisis de la señal desde el punto de vista de la amplitud modulada.

Para el registro del datos partimos de dos vibrómetros pegados al chasis en cada lado de las ruedas traseras. Están conectados a un dispositivo Arduino que se encarga de digitalizar la señal analógica y transmitirla al puerto serie. La velocidad de transmisión es de 115.500 B/s (la más alta posible). Por otro lado contamos con un GPS que además de transmitirnos las coordenadas nos dará el dato de la velocidad del vehículo. Este punto en importante porque ya que podemos contar con el dato del tiempo transcurrido podremos tener una especie de “odómetro vía satélite”.

Cada vez que tenemos un dato nuevo de posición y velocidad guardamos estos y los datos del buffer del puerto serie del dispositivo Arduino. Éstos tiene esta forma:

To register the data we start from two vibration meters glued to the chassis on each side of the rear wheels. They are connected to an Arduino device that is responsible for digitizing the analog signal and transmit it to the serial port. The transmission speed is 115.500 B / s (the highest possible). Furthermore they have a GPS coordinates addition we will transmit the data of the vehicle speed. This important point because we can count the elapsed time data can have a "odometer via satellite".

Whenever we have a new position and velocity data and store these data buffer Arduino serial port device. They have this form:

764.00,802.00

759.00,802.00

767.00,800.00

766.00,796.00

768.00,798.00

---

Gráfica de los datos anteriores (rojo:izda., azul:dcha.)

En este caso en particular estaríamos hablando de 900 puntos sólo en 14 metros, 1 dato cada 15 cms, ó, 64 datos/metro.

Para la extracción de nuestra variación de la amplitud, lo primero será saber cuales son las amplitudes máximas que le corresponden dependientes de la velocidad de la frecuencia 'portadora'. Den nuestro caso, después de varios ensayos (después de recorrer cientos de kms a diferentes velocidades por todo tipo de vías).

De los datos se diferenciaran a grupos por velocidades y se elaborarán sus respectivas 'campanas de Gauss'.

In this particular case we are talking about 900 points just 14 meters, 1 data every 15 cm, or 64 data / meter.

For the extraction of our amplitude variation, the first step is to know what the maximum amplitudes that are dependent on the speed of the 'carrier' frequency. Den our case, after several trials (after traveling hundreds of kilometers at different speeds for all types of roads).


Data groups differed by their respective speeds and 'bells Gauss' will be developed.

A 40 km/hora	A 60 km/hora
A 50 km/hora	A 70 km/hora

De estos valores se extrae la media y los valores de umbral al 5%. Es decir, nos responderemos a la pregunta ¿a partir de que valor estamos en una vibración forzada, en una señal?. Después de varios ensayos encontramos una función bastante simple, en función de la velocidad:

si A_i  ã +-± 0,3 · v_i.; ã: amplitud media

The average of these values and the threshold values is extracted 5%. That is, we respond to the question from that value are in a forced vibration in a sign ?. After several tests are quite simple function, depending on the speed:

if A_i  ã +-± 0,3 · v_i.; ã: mean amplitude

v_i.: velocidad en el punto i

A_i: amplitud en el punto i

No sólo el umbral es función de la velocidad. También lo es la propia amplitud. A mayor velocidad mayor es la vibración transmitida y este dato hay que minorizarlo en consonancia. Para ello se realizan varias mediciones en en mismo tramo de carrera a diferentes velocidades y se extrae la relación entre aumento de amplitud y aumento de velocidad:

Escala_velocidad = -0,085 · v_i.+ 9,4

The threshold is not only a function of speed. So is the amplitude itself. The greater the velocity is transmitted vibration and this fact must be minorizarlo accordingly. To do this in multiple measurements are taken in the same stroke length at different speeds and the relationship between amplitude and increase extracted speed increase:
Speed Scale = -0.085 · v_i.+ 9.4

Nuestro parcial en la obtención del IRI sera: / Our partial measure in obtaining the IRI will:

S = Σ | pk_i+1 - pk_i | · (-0,085 · v_i.+ 9,4)

y por tanto: / and therefore:

IRI_100m=Σ | pk_i+1- pk_i | · (-0,085 · v_i.+ 9,4) / Σ | pk_{i +1} - pk_i |

Siempre y cuando. Whether Σ | pk_{i +1} - pk_i | = 100.

Exponemos los resultados de dos ejemplos (Omitimos el nombre de la carretera estudiada):
We present the results of two examples (We omit the name of the road studied):

IRI a la ida (superior) y vuelta (inferior) / IRI on the way (top) and back (bottom)

Respecto a los valores estadísticos. El láser daba: medias de 1,77 y 1,79 y el nuestro 1,86 y 1,90. Las varianzas eran de 0,60 y 0,80.

Regarding the statistical values. The laser was: averages of 1.77 and 1.79 and 1.86 and 1.90 ours. The variances were 0.60 and 0.80.

Otra carretera: / Another road:

6º Entendido como funciona la matemática vamos a crear el prototipo real / Understood as mathematical functions we create the actual prototype

Con todo lo que habíamos avanzado nos propusimos la creación de un sistema de medición del IRI más económico. Estaría basado en un par de vibrómetros, un Arduino, un GPS de bajo coste y un ordenador portátil. El coste fue de 25€ por vibrómetro, 25€ el Arduino y el GPS ya lo teníamos en la empresa y su costo fue de 250€.

Colocación del instrumental:

With all that we had gone we proposed the creation of a measurement system cheaper IRI. It would be based on a pair of vibration meters, an Arduino, low cost GPS and a laptop. The cost was 25 € per vibrometer 25 € the Arduino and GPS already had on the company and its cost was 250 €.



Instrument positioning:

Colocación del instrumental

El vibrómetro se coloca en la zona roja de la figura anterior. Uno al lado de cada rueda.

The vibrometer is placed in the red zone of the previous figure. One side of each wheel.

Sensor "low cost"

Montaje

Arduino antes y después del montaje

Los vibrómetros se conectan al Arduino del que, a través de un puerto serie llegará la información conjunta con el GPS a través de otro puerto serie. Los datos del GPS no sólo nos dan la posición sino también la velocidad y con el dato del tiempo transcurrido tendremos un odómetro basado en GPS.

El GPS se coloca en la zona verde (sobre el salpicadero) y la antena exterior en los anclajes de la baca.

The vibration meters are connected to the Arduino, through a serial port will reach the joint information with the GPS through another serial port. The GPS data not only give us the position but also the speed and elapsed time data based on GPS we odometer.

The GPS is placed in the green area (on the dashboard) and the external antenna on roof rack anchors.

GPS Garmin normalito.

Lo que si cuesta es hacer el programa que gestione estos datos y que además den el resultado esperado. A continuación presentamos dos pantallazos del programa:

What it costs is to make the program that manages the data and also give the expected result. Below are two screenshots of the program I made:

Aspecto del programa durante la toma de datos
Aspect of the program for data collection

Aspecto del programa durante la digestión de los datos.
Aspect of the program during digestion of the data.

El velocímetro, odómetro y posición nos la da el GPS. La vibración del coche se elimina por métodos matemáticos y el resultado final (gráfico y numérico) se estrae de la vibración con la distorsión eliminada. 

NOTA: No me importa regalar el programa ni contar los detalles pero mándame un e-mail.

The speedometer, odometer and position is given by the GPS. The vibration of the car is removed by mathematical methods and the final result (graphical and numerical) is Retrieves vibration with distortion eliminated.


NOTE: I do not mind giving away the program or have the details but send me an e-mail.

For more information: http://carreteras-laser-escaner.blogspot.com.es/p/contacte-con-nosotros.html

Or, send me an e-mail.